细胞信号通路

Cell Signalling Pathways

--Michael J. Berridge--module 2 胞内信号通路可分为两类，大多数的信号通路受细胞表面的胞外信号刺激，通常以化学信号的形式，如神经递质、激素及生长因子等；其他类的信号通路是由细胞内产生的信号激活的。胞内信号主要来自内质网或代谢物。

一、环腺苷酸信号通路（Cyclic AMP signalling pathway）

环腺苷酸是广泛存在的一种第二信使，其形成依赖于GPCR的活化，GPCR通过异质三聚体激活放大器AC（腺苷酸环化酶）。cAMP的信号效应器有PKA、EPACs等可激活小GTP连接蛋白Rap1及环核苷酸门控通道（CNGCs），这些效应器负责进行cAMP信号功能。cAMP 的许多功能取决于PKA的准确定位，而A激酶锚定蛋白（AKAPs）家族约定了PKA及其他许多信号组分的细胞定位。

Cyclic AMP formation

环腺苷酸的形成可被许多细胞刺激活化，主要是神经递质和激素，这些刺激可被G蛋白偶联受体通过异质三聚体G蛋白检测到。在腺苷酸环化酶刺激下，外部刺激结合到G蛋白偶

联受体上，作为鸟苷酸交换因子（GEF）用GTP替代GDP，从而使得异质三聚体G蛋白分裂成Gβ?和Gα亚基。Gα亚基和GTP的复合体激活腺苷酸环化酶，然而抑制性GαGTP 抑制AC。Ｇα亚基具有GTP酶活性，可水解GTP成GDP，因而停止其对AC的作用。Adenylyl cyclase (AC)

AC家族由十个亚型组成，前九个为膜结合的，另外一个是水溶性的。AC1-9的域结构具有两个含六个转膜区的区域。大的细胞浆域C1和C2含有催化区，形成异质二聚体使得ATP 转化成AMP。

Cyclic AMP signalling effectors

EPACs、CNGCs等，cAMP的大多数作用都是通过PKA发挥作用的。

Protein kinase A (PKA)

PKA由两个调节亚基（R）和两个催化亚基（C）组成。环腺苷酸激活PKA是通过结合到R 亚基上，然后使C亚基磷酸化大量的不同底物。在两种PKA中，PKA1主要游离在细胞浆中，对环腺苷酸具有高亲和力，然而PKA2可更准确定位，与A激酶锚定蛋白偶联。AKAPs 是一种支架蛋白的例子，在信号通路的空间组织中，其可把PKA带到适当位置与其底物接触。

Protein kinase A (PKA) I

PKA1与RI亚型结合。对所有亚型来说，R亚基通过其N末端二聚化/对接域形成二聚体。除了使两个R亚基在一起，N末端也负责与AKAPs对接（针对PKA2）。RI对AKAPs低亲和，所以主要是水溶的。cAMP连接到串联环腺苷酸结合域释放活性C亚基，然后磷酸化特定底物。RI对环腺苷酸具有高的结合亲和力，所以PKA1可对更低浓度环腺苷酸反应。Protein kinase A (PKA) II

PKA2的特点是其调节二聚体是有RII亚基组成的。PKA2更容易与AKAPs对接，从而能更准确的定位到特定的细胞靶位。

环腺苷酸的磷酸化底物可分为主要两组，调节特点细胞过程的底物和其他信号系统组分的底

物。

Cyclic AMP signalling functions（部分）

环腺苷酸通过抑制巨噬细胞和肥大细胞的活性具有较强的抗炎作用。

环腺苷酸依赖的转录因子CREB（环腺苷酸反应元件结合蛋白）有助于调节胰高血糖素分泌alpha细胞中的胰高血糖素生物合成。

Cyclic AMP hydrolysis

环腺苷酸信号通路有两种关闭反应，即环腺苷酸流出细胞和环腺苷酸水解。后者是通过磷酸二酯酶家族水解的。前者是通过ABCC4进行的，一种ATP结合盒（ABC）转运体。

二、GTP结合蛋白（GTP-binding proteins）

GTP结合蛋白通常也成为G蛋白，这些G蛋白也是GTP酶，但其与GDP结合时无活性而与GTP结合时有活性。G蛋白可分为两种，即异质三聚体G蛋白和单体G蛋白，既有分离又有重叠功能。

Heterotrimeric G proteins

其作用是G蛋白偶联受体的传感器，激活大量的细胞信号通路。这些G蛋白由16Gα, 5 G βand 11 Gγ基因组成。G蛋白机制见上。GTP酶正常活性比率很低，所以两个亚基复合物有足够时间寻找它们各自的靶位。然而，两种机制会加速GTP酶的活性：一些靶点和G 蛋白信号调节（RGS）蛋白家族都可加速其活性。

G蛋白受体激酶（GRK）如beta肾上腺素受体激酶1（betaARK1）可磷酸化活性受体，为抑制蛋白提供结合位点从而防止异质三聚体蛋白结合受体并使受体脱敏。

Regulators of G protein signalling (RGS)

RGS的作用是作为GTP酶激活蛋白（GAP），其可显著增加Gα亚基本身低的GTP酶活性。除了Gα/GTP酶增加活性结构外，许多RGS还含有许多其他蛋白与蛋白相互作用结构域，如PDZ、PTB、PH、PX域，表明其还有其他很多功能。

Monomeric G proteins

单体G蛋白家族大约有150个成员。Ras是创始成员，这个家族常被认为是小G蛋白的Ras家族。这个家族中可认识五种亚家族：Ras、Rho、Rab、Ran和ADP核糖基化因子（Arf）。Ran家族在核转运起作用，而Rab家族在膜运输发挥作用。Ras和Rho主要参与细胞信号，作为二值开关控制许多细胞信号系统，机制是与GTP结合（开），然后GTP被水解（关）

Ras signalling mechanisms

Ras（21kD）在许多信号通路系统中起信号传感器作用。其首先被确认为酪氨酸激酶联接受体的传感器，它将信息传递给MAPK信号通路。Ras开关的控制是由Ras鸟苷酸交换因子（RasFEFfective）控制的，如SoS等。许多RasGAPs可通过加速GTP水解成GDP而关闭Ras的作用，如CAPRI（Ca2+敏感蛋白）、RasGRF、RasGRP等。

Rac signalling mechanisms

作用机制类似于Ras。Rac/GTP复合物的活化有许多重要的作用：1、负责介导磷脂酰肌醇3激酶信号通路激发NADPH氧化酶启动ROS信号通路的作用；2、激发JNK信号通路等

Rho signalling mechanisms

在调节细胞骨架的运作方面尤为重要。二值开关机制与Ras和Rac相同。

Rho信号也可影响内皮细胞的收缩从而打开渗透障碍物。

Cdc42 signalling mechanisms

控制肌动蛋白细胞骨架的重要作用。二值开关的机制与前面的单体G蛋白相同。

p21-activated kinase (PAK)

PAK是Rac和Rho一些主要的下游靶点，包含在许多过程中，如肌动蛋白重塑、细胞周期控制、转录和凋亡。PAK有六个亚型，PAK1-PAK6.

三、钙离子信号通路（Ca2+ signalling）

Basic mechanism of Ca2+ signalling

信号体是指组成每个特定细胞信号系统的信号组分的集体。

激动剂如神经递质谷氨酸和A TP直接作用于血浆膜上的受体门控通道使得胞外钙离子进入胞内；第二信使如二酰甘油、环腺苷酸、环鸟氨酸、花生四烯酸打开浆膜上的第二信使门控的通道；膜去极化激活浆膜上电压门控通道使得大量胞外钙离子流入；膜去极化激活特定的VOC同工型体，激活鱼尼丁受体1（RYR1）；激动剂作用于细胞表面受体，产生InsP3，然后扩散进入细胞激活其受体使得ER释放钙离子。

Ca2+ ON reactions

钙离子通过膜进入细胞的通道有：电压门控通道、激动剂门控通道、受体门控通道、第二信使门控通道、储备门控通道；内部通道和控制机制有：鱼尼丁受体、InsPR（肌醇3磷酸）、NAADP控制钙离子释放。

钙离子信号通路一个主要问题是确定刺激是如何到达细胞表面而接近这些内部钙离子储备的。两个主要机制已经被确认了：1、通过蛋白与蛋白相互作用的构象偶联（Cav1,1 L-type channel is coupled to RYR1）；2、产生扩散性的第二信使（如Ca2+本身，激活RYRs和InsP3Rs）。

Ca2+-induced Ca2+ release (CICR)

钙离子诱导的钙离子释放在钙离子信号产生的过程中起主要或者中心作用。CICR的另一个作用是建立胞内钙离子波动，细胞内钙离子浓度水平的升高从起始点传到包浆的其他地方，再次产生钙离子释放。这些活动共同组成整体的钙离子信号。

Ca2+ OFF reactions

钙离子恢复正常水平的过程取决于胞质中钙离子缓冲系统、线粒体、钙离子泵和交换因子之间共同对内部钙离子储备和胞浆膜的复杂作用。并且，钙离子缓冲系统和线粒体主要作用于恢复期的早期，而钙离子泵和交换因子负责将钙离子泵出胞外或者泵回内质网。Na+/Ca2+交换器对钙离子低亲和，但是高容量，因而主要的恢复期的起始阶段发挥作用，移走大量钙离子。而浆膜Ca2+-ATPase(PMCA )和sarco/endo-plasmic reticulum Ca2+-ATPase（SERCA）则相反，低容量高亲和力，完成恢复过程并能在更低的钙离子水平继续泵出钙离子，从而保持内部储备和静息期水平。这些OFF反应之间当然也会彼此协作。

Ca2+ buffers

细胞表达两组主要的钙离子结合蛋白：钙离子感应器和钙离子缓冲器。细胞中主要的胞质缓冲器是小清蛋白（PV）和钙结合蛋白D-28k（CB）。作用于内质网腔的主要缓冲器是集钙蛋白（CSQ）和钙网蛋白（CRT）。浓度是评价缓冲器能力的一个重要参数，另外还有对钙离子和其他金属离子的亲和力、钙离子结合、释放和移动动力学。钙离子缓冲器的改变与精神分裂症相关。

Parvalbumin (PV)

一种慢动的缓冲器。它具有相对较慢的开和关的速率，不能对大对数钙离子信号的快速开始反应。

Calbindin D-28k (CB)

一种快速地缓冲器。可限制在钙离子通道周围基本钙离子活动的规模。而阿尔兹海默病的钙假说的一个重要方面就是CB表达的减少，从而增加了神经元对该症起始时钙离子信号增加的敏感性。

Calreticulin (CRT)

低亲和力的钙离子结合蛋白，主要位于内质网腔内，在细胞核和胞浆中也可检测到。可作为分子伴侣蛋白也可作为钙离子缓冲器。含有三个结构域：N、P、C域。

Ca2+ signalling function

钙离子的主要感应器有TnC、CaM、NCS和S100蛋白等等。效应器有Ca2+-sensitive K+ channels、Ca2+-sensitive Cl?channels (CLCAs)、Ca2+/calmodulin-dependent protein kinases (CaMKs)、Calcineurin、Phosphorylase kinase、Myosin light chain kinase (MLCK)、Ca2+-promoted Ras inactivator (CAPRI)

Spatiotemporal aspects of Ca2+ signalling

四、环腺嘌呤二核苷酸-核糖信号通路（Cyclic ADP-ribose (cADPR) signalling）

cADPR与NAD+信号通路相关。

cADPR working hypothesis

cADPR调节钙离子信号的作用假说有两个主要组分：首先，cADPR的产生与细胞代谢紧密联系，其可能作为代谢信使负责传递代谢信息给各种细胞系统包括钙离子信号。当能量富足情况下，cADPR的增加为钙离子信号的发生奠定了基础；再者，可能间接通过活化SERCA 泵而增加钙离子摄入到内质网腔或肌质网。内部储备的增加敏化释放通道如RYRs，从而导致钙离子通路的增加。

cADPR generation and metabolism

腺嘌呤二核苷酸核糖基环化酶（ADP-ribosyl cyclase）是一种多功能酶，不仅合成和代谢cADPR而且还合成NAADP。

cADPR control of Ca2+ release

见cADPR working hypothesis

cADPR and cell regulation

五、烟酸-腺嘌呤二核苷酸信号通路（Nicotinic acid–adenine dinucleotide phosphate (NAADP) signalling）

与NAD信号通路相关（或一个组成部分），可作为一种钙离子流通第二信使。

NAADP generation and metabolism

由NADP合成而来且与cADPR紧密联系因为它们公用一个酶：腺嘌呤二核苷酸-核糖基环化酶。

NAADP control of Ca2+ release

与cADPR的机制基本相同。

六、磷酸肌醇信号通路（Phosphoinositide signalling）

磷酸肌醇代谢可分为两个主要部分。首先，肌醇脂质代谢，描述了母分子磷酸酰肌醇代谢形成脂质中间体的方式。第二，磷酸肌醇代谢。

磷酸酰肌醇4,5二磷酸是生成第二信使1,4,5三磷酸肌醇和二酰甘油的前体，后二者分别参与InsP3/Ca2+和DAG/PKC信号盒。PtdIns4,5P2也是代谢生成PtdIns3,4和PtdIns3,4,5P3的前体，后两者可作为第二信使激活PtdIns-3-激酶信号中的蛋白激酶。磷酸酰肌醇45二磷酸也可作为其信号通路盒的信使。

Phosphoinositide metabolism

如前所述，两种代谢即肌醇脂质代谢和磷酸肌醇代谢共同负责脂质水解和合成过程。当外部信号激活PLC时后者水解PtdIns45P2生成Ins1,4,5P3和DAG。

Inositol lipid metabolism

如前

PtdIns 3-kinase (PtdIns 3-K)

可分为三个类别。

Class I PtdIns 3-kinases

主要功能是磷酸化磷酸酰肌醇4,5二磷酸形成脂质第二信使磷酸酰肌醇345三磷酸。此类酶又可分为两个组别：

A类酶为异质二聚体，由五个调节亚基组成（(p85α, p85β, p55α, p50αand p55γ）,这些都是典型的衔接蛋白。调节亚基的SH2域使酶在胞浆的受体（如血小板源生长因子受体PDGFR）域与磷酸酪氨酸联合；SH3能结合Shc，CbI和发动蛋白上富含脯氨酸的区域。B类酶由G蛋白活化，含有P110γ催化亚基和两个调节亚基（P101和P84），这两个调节亚基可能介导催化亚基P110γ结合到Gβγ亚基上。

I类酶与癌基因Ras作用强烈，引起一系列重要的上游和下游活动。

Class II PtdIns 3-kinase

仅能磷酸化PtdIns和PtdIns4P，没有调节亚基而又三个催化亚基

Class III PtdIns 3-kinase

这类酶的原型是液泡蛋白分选34蛋白（Vps34），钙离子可调节其活性，与TOR的调节有关。

PtdIns 4-kinase (PtdIns 4-K)

在肌醇环的4号位催化磷酸酰肌醇的磷酸化，产生磷酸酰肌醇4磷酸。含有两个类别：II 型和III型。

PtdIns phosphate kinases

可分为三个亚家族，即TypeI、II、III

PtdIns4P 5-kinase (PtdIns4P 5-K)（I型）

由三个亚型组成，即α, β、γ)，主要功能是磷酸化PtdIns4P生成PtdIns4,5P2.

这类I型酶可通过两个独立的机制调节。第一，PA可激活其活性，而磷脂酸可由PLD信号通路产生（水解磷脂酰胆碱）或DAG的磷酸化产生。第二，单体G蛋白如Rho可增强此酶的活性。

其α亚型也可磷酸化PdtIns3,4P2形成第二信使PtdIns3,4,5P3.

PtdInsP kinase II

磷酸化PtdIns3P和PtdIns5P分别生成PtdIns3,4P2和PtdIns4,5P2。

PtdInsP kinase III

在5号位磷酸化PtdIns生成PtdIns5P

Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10 (PTEN)

其基因是抑癌基因，在细胞迁移、增殖、存活方面起作用。可使3磷酸化脂质第二信使失活。功能是去除PtdIns3,4P2和PtdIns3,4,5P3在3位的磷酸。

Inositol phosphate metabolism

其代谢主要有两个功能：第一，产生游离的肌醇，重新再合成PtdIns，可被信号通路再利用。第二，产生磷酸肌醇混合物，一些促进了多种用途的磷酸肌醇信号通路。

Ins1,4,5P3可通过两个路径进入代谢通入而被代谢。它可被I型5磷酸肌醇磷酸酶去磷酸化生成Ins1,4P2或者被InsP3 3激酶磷酸化生成Ins1,3,4,5P4.后两者都是多用途的磷酸肌醇信号通路的信使。最后被去磷酸化或水解成游离的肌醇。

Inositol polyphosphate 5-phosphatase

去除5号位的磷酸基。家族所有成员都共有一个中心保守催化区。

5-磷酸酶I。水解Ins1,4,5P3和Ins1,3,4,5P4.

5-磷酸酶II。水解肌醇磷脂。

OCRL。SHIP。

此处略去一大堆磷酸水解酶。

Inositol 1,4,5-trisphosphate (InsP3)/Ca2+ signalling cassette

胞外刺激结合细胞表面的受体（GPCRs，PTKRs。。。），PLC活化并水解PtdIns4,5P2产生InsP3和DAG。这是一个分支信号通路，因为InsP3从膜上释放扩散进入细胞质基质，结合InsP3Rs 最终从内质网释放Ca2+；而DAG则激活PKC。GPCR利用PLCβ，而RTK偶联PLCγ。Metabolism of InsP3 and DAG and the resynthesis of PtdIns

InsP3和DAG都有两条代谢途径。DAG可被起DAGK磷酸化形成PA或被DAG脂肪酶水解。而PA可转移到内质网与CTP结合形成CDP/DAG复合体，此为PtdIns再合成的一个前体。

InsP3代谢见前面。

Synthesis of PtdIns

Phospholipase C (PLC)

可分为五类，含有多个亚型：PLCβ(β1–β4), PLCδ(δ1–δ4), PLCγ(γ1、γ2), PLC ε、PLCζ。

催化区域由X、Y两个区组成，它们至少含有两个脂质可能联接的位点：PH和C2区。这些亚型彼此的主要区别是它们各自活化的方式不同。

Phospholipase Cβ(PLCβ)

主要由GPCRs活化。其中1、3广泛存在，其他有组织特异性。

主要的活化机制是通过Gq家族（Gq, G11, G14, G15、G16）。这些G蛋白的功能很复杂，因为PLCβ所有亚型异质三聚体的α和βγ组分都敏感，而1、4亚型对通过α亚基的刺激最敏感，2、3则相反。

PLCβ也好有GAP活性可以刺激α亚基的内在的GTP酶活性。PKA 可磷酸化PLCβ从而抑制其活性。

Phospholipase Cγ(PLCγ)

主要在发育早期及控制细胞增殖的信号通路中发挥作用。主要特点是在X和Y之间有较大的插入基团，其中SH2区对PLCγ的活化其关键作用，因为其提供了衔接模块使酶转位到膜上与活化受体或相关支架蛋白上的磷酸化酪氨酸残基对接。这种转位有两个重要的过程负责此酶的活化。首先，把酶带到在膜上的底物；再者，通过与酪氨酸激酶作用，PLCγ1在7718,73和125位自磷酸化，而在783为酪氨酸的磷酸化对酶活性的开启尤为重要。PLCγ2的磷酸化发生在753和759的酪氨酸残基，主要被酪氨酸激酶Btk磷酸化。另外，酶的活性也可被PtdIns3,4,5P3激活。

Phospholipase Cδ(PLCδ)

活化机制不明。

Phospholipase Cε(PLCε)

在C末端有两个Ras联合区（RA）。它还有一个Cdc25同源区，是一个Rap1的鸟嘌呤核苷酸交换因子对接口。表皮生长因子刺激后其转位到细胞核周围区，然后活化MAPK信号通路。

Phospholipase Cζ(PLCζ)

Diacylglycerol (DAG)/protein kinase C (PKC) signalling cassette

Protein kinase C (PKC)

分为三个亚组：常规PKCs、新亚型PKCs、非典型（不规则）PKCs

PKC signalling functions

PKCε有控制N型钙离子通道的作用；PKC是负责磷酸化转录因子p53的激酶之一；PKC 有调节蛋白的钙调蛋白的结核性质。

Phosphoinositide lipid signalling molecules

两个重要的信号系统：PtdIns4,5P2信号盒和PtdIns3-激酶信号。

PtdIns4,5P2 signalling cassette

PtdIns4,5P2 regulation of ion channels and exchangers